含大規(guī)模風(fēng)電的直流電網(wǎng)建模與控制研究.pdf

1、通過直流電網(wǎng)(DC grid)實(shí)施大規(guī)模風(fēng)電接入及輸送具有許多固有優(yōu)勢，不存在功角穩(wěn)定性問題、潮流控制靈活，但高滲透率的風(fēng)電裝機(jī)帶來的能源波動性、間歇性問題依然給系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因而適應(yīng)新型的直流電網(wǎng)核心裝置，使直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、有功潮流合理分配，是直流電網(wǎng)控制的核心問題。為克服半導(dǎo)體器件容量及電壓等級的限制，多端直流輸電工程(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)多采用模塊化多電平

2、換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)。作為連接風(fēng)電場與直流電網(wǎng)的樞紐，換流器在其中扮演著閥門的作用，因而是電網(wǎng)調(diào)節(jié)電壓波動與潮流分布的最直接手段。按照主流研究對直流電網(wǎng)潮流的三級控制結(jié)構(gòu)劃分，本文從含大規(guī)模風(fēng)電的直流電網(wǎng)建模著手，圍繞直流電網(wǎng)控制的核心問題從換流站級、系統(tǒng)級控制方法進(jìn)行了深入研究和分析。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方而:
　　1.為揭示風(fēng)電接入造成直流電壓波動的機(jī)理，為不同層級控制器

3、設(shè)計(jì)、仿真提供模型基礎(chǔ)，論文開展了風(fēng)電機(jī)組、MMC換流器及直流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的建模研究。推導(dǎo)了風(fēng)電機(jī)組葉片空氣動力學(xué)模型、風(fēng)輪動力學(xué)模型及傳動鏈模型，提出了計(jì)及機(jī)組振動及偏航誤差的風(fēng)電出力計(jì)算修正方法。推導(dǎo)了MMC換流閥子模塊運(yùn)行過程的數(shù)學(xué)模型，提出忽略開關(guān)器件的子模塊簡化模型及忽略子模塊電容電壓的半橋臂簡化模型。根據(jù)并網(wǎng)裝置對直流電網(wǎng)的作用將其劃分為電壓、功率及阻抗三類端口，并建立了各類端口用于系統(tǒng)級仿真的簡化模型。利用鍵合圖方法對六端直流

4、網(wǎng)架進(jìn)行建模，推導(dǎo)出狀態(tài)空間方程，并根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的一般要求構(gòu)建了直流電網(wǎng)的輸出方程，及約束條件。對所建立的模型、簡化模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　2.從直流電網(wǎng)站級層面進(jìn)行了控制策略研究。根據(jù)交、直流側(cè)瞬時(shí)能量守恒定律推導(dǎo)了MMC換流器中環(huán)流在二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的傳遞函數(shù)，并以此提出了基于內(nèi)?？刂频沫h(huán)流抑制控制方法。此后又分析了直流線路阻抗對多點(diǎn)電壓控制P-V特性曲線的影響，指出了電壓裕度、電壓下垂系數(shù)的選擇依據(jù)，并提

5、出了一種兼顧主從裕度控制、多點(diǎn)電壓下垂控制二者優(yōu)勢的改進(jìn)電壓變下垂系數(shù)控制方法，以及一種風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣性附加控制方法。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)流抑制控制的有效性，以及改進(jìn)電壓變下垂系數(shù)控制兼具電壓穩(wěn)定控制和潮流分配的能力。該站級控制不依賴于其他端狀態(tài)，既是直流電網(wǎng)安全、高效運(yùn)行的保障，也是系統(tǒng)級控制的基礎(chǔ)。
　　3.從直流電網(wǎng)系統(tǒng)級層面進(jìn)行了控制策略研究。分析了六端直流電網(wǎng)狀態(tài)空間方程能控、能觀性，繪制其閉環(huán)根軌跡圖，并研究了各線路

6、參數(shù)與閉環(huán)極點(diǎn)分布的關(guān)系，從而提出適用于系統(tǒng)級控制器設(shè)計(jì)的簡化模型。此后，將直流網(wǎng)架視為變參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)PI控制器，將風(fēng)電視為干擾又設(shè)計(jì)了基于LMI的H∞魯棒PI控制器。為解決電壓穩(wěn)態(tài)偏差，首先提出了一種集模式選擇與參數(shù)下發(fā)為一體的調(diào)度實(shí)現(xiàn)方式，以有功網(wǎng)損最小、直流電壓偏差率最小為目標(biāo)函數(shù)，提出了基于模糊多目標(biāo)解法與粒子群算法的最優(yōu)潮流控制方法，為提高算法的收斂速度又提出了基于模糊控制的粒子群改進(jìn)方法。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自適應(yīng)動態(tài)

7、控制能夠有效抑制電壓波動，而最優(yōu)潮流控制能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性優(yōu)化，是直流電網(wǎng)安全、高效運(yùn)行的進(jìn)一步提升。
　　4.設(shè)計(jì)并建設(shè)了六端直流電網(wǎng)物理仿真平臺，總體設(shè)計(jì)了平臺的硬件部分，具體包括可重構(gòu)網(wǎng)架、線路參數(shù)等效計(jì)算、固態(tài)直流斷路器、風(fēng)電端直流并網(wǎng)方式。以及軟件部分包括三級控制結(jié)構(gòu)、啟機(jī)與停機(jī)邏輯?；谠撈脚_，進(jìn)行了功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了平臺在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障保護(hù)及控制運(yùn)行研究上的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?yàn)證了所提粒子群最優(yōu)潮流